ICF驱动器靶场编组站热稳定性分析研究

摘要

惯性约束聚变概念自提出以来，得到了世界上主要发达国家的重视，被广泛应用于国家安全、基础科学和能源开发研究。固体激光驱动器是实现惯性约束聚变的一个有效手段，然而大型ICF固体激光驱动器对光路稳定性有很高的要求，它要求光束在长距离的传输之后光束在靶球表面的定位误差在几十微米以内。影响光路稳定性的激励源主要有三种：随机振动、温度、偶然因素，其中温度是影响ICF激光装置稳定运行的一个重要因素。因此，研究ICF驱动器中光学组件的热稳定性对驱动器的稳定运行、成本控制具有重要的意义。
　　 本文以ICF驱动器中的靶场编组站作为研究平台，对靶场编组站的热稳定性进行了研究。靶场编组站是ICF激光装置中重要的光学组件，起到承载、分组、改变光束传输方向的作用。首先，将靶场编组站以及周围的温度环境作为研究对象，采用实验测量的方法，得到靶场编组站镜箱内外温度数据，并通过对数据的分析比较得出温度分布和变化特点，对靶场编组站的热稳定性分析具有重要的参考意义；根据当前编组站镜箱内部结构模型、送风方式和温度测量结果，对边界条件和初始条件进行假设，用流体分析软件Fluent进行温度场数值模拟，得到其温度分布和变化特点，为优化靶场编组站温控措施提供了依据；以传热学和弹性力学为基础，将CAE技术引入到靶场编组站热变形分析中，结合有限元分析软件ANSYS分别针对温度分布和温度变化对靶场编组站的变形影响进行了分析，进而得到温度分布和温度变化对光束指向性的影响。最后，针对分析结果对靶场编组站结构和固定方式进行了优化。
　　 ICF驱动器靶场编组站热稳定性关系到打靶的成败及装置的建造运行成本，本文对该问题的研究对打靶、温度控制和靶场编组站的结构优化具有指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1课题背景及意义

1.2 ICF固体激光驱动器光路稳定性研究进展

1.3温度场构建及仿真技术研究现状

1.4固体结构热稳定性发展现状

1.5本论文的主要研究内容及技术路线

1.5.1研究目的

1.5.2研究内容

1.5.3技术路线

2 靶场编组站镜箱温度场分布实验及分析

2.1靶场编组站工作模型

2.2靶场编组站温度场测量实验方案

2.2.1温度测量仪器的选择

2.2.2测点的布置

2.3实验结果分析

2.3.1镜箱内部温度场

2.3.2镜箱外部温度场

2.3.3镜箱内外温度场比较

2.4本章小结

3 靶场编组站镜箱温度场数值模拟

3.1靶场编组站镜箱温度场物理模型

3.2靶场编组站镜箱温度场数值计算模型

3.2.1数值计算软件FLUENT

3.2.2靶场编组站空气介质物理性质

3.2.3模型假设

3.2.4控制方程

3.2.5边界条件

3.3靶场编组站镜箱温度场数值模拟

3.3.1 Fluent数值模拟求解步骤

3.3.2几何模型建立及网格划分

3.3.3模型的物理属性

3.3.4监视点、面的设置

3.4数值模拟结果

3.5通风口位置对镜箱内部温度环境的影响分析

3.5.1模型更改设置

3.5.2模拟结果分析

3.6本章小结

4靶场编组站大口径光学元件热变形分析

4.1有限元分析软件——ANSYS

4.2靶场编组站热弹有限元分析理论

4.3靶场编组站的有限元模型

4.3.1编组站ANSYS模型的创建

4.3.2设置材料属性

4.3.3单元类型的选择和网格划分

4.4靶场编组站温度场计算

4.4.1温度边界条件的设置

4.4.2温度分布计算

4.5靶场编组站热变形计算

4.5.1编组站镜片的转角计算

4.5.2各时段热变形分析

4.5.3镜片转角计算及其分析比较

4.6本章小结

5温度变化对靶场编组站光学元件的影响分析

5.1温度变化对靶场编组站的影响分析

5.2温度变化对大口径光学元件的影响分析

5.3靶场编组站优化方案

5.3.1固定方式的改进

5.3.2靶场编组站镜架结构改进

5.4本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录A.读硕士学位期间发表的论文目录